CAPITOLUL 11 TRADUCTOARE MAGNETICE

  • Published on
    13-Feb-2016

  • View
    52

  • Download
    2

DESCRIPTION

CAPITOLUL 11 TRADUCTOARE MAGNETICE. Senzori de cmp magnetic. Msurarea cmpului magnetic este necesar pentru a detecta prezena obiectelor mari feromagnetice care schimb distribuia cmpului magnetic. - PowerPoint PPT Presentation

Transcript

  • CAPITOLUL 11

    TRADUCTOARE MAGNETICE

  • Senzori de cmp magneticMsurarea cmpului magnetic este necesar pentru a detecta prezena obiectelor mari feromagnetice care schimb distribuia cmpului magnetic. Curenii din circuitele electrice genereaz cmpuri magnetice proporionale. Astfel, se pot msura indirect curenii electrici prin msurarea cmpurilor magnetice.Aplicaii:- industria minier, - pilotarea automat a aparatelor de zbor, - detectarea i localizarea aparatelor de zbor, vehiculelor, submarinelor, navelor, etc. - controlul traficului pe autostrzi, porturi, aeroporturi.Fiecare nav are o semntur magnetic diferit, putndu-se distinge cu uurin.Amplitudinea CM depinde de distan, fiind posibil localizarea i urmrirea.Senzorii de CM funcioneaz pe baza forei Lorentz exercitat asupra electronilor care se mic n metale, semiconductoare sau izolatoare: F = -qv x B B = 0H

  • n funcie de valoarea permeabilitii magnetice, senzorii sunt de dou tipuri:- senzori feromagnetici (ferimagnetici), cu >> 1 i sensibilitate mare; exemple: senzori bazai pe magnetorezisten n straturi subiri de NiFe, senzori cu FO n nveli de Ni, senzori combinai cu dispozitive concentratoare de flux.- senzori diamagnetici (paramagnetici), cu 1 i sensibilitate mic; exemple: dispozitive Hall, senzori Hall cu tranzistoare TECMOS sensibile la CM, structuri Hall heterojonciune, magnetotranzistoare, magnetodiode, magnetorezistoare, magnetometre cu FO.

  • Senzori de cmp magnetic cu strat subire metalic Realizai din materiale feromagnetice, cei mai utilizai fiind din permalloy. Reprezentativ este senzorul magnetorezistiv din straturi anizotropice NiFe sau NiCo.Straturi cu magnetorezisten gigant n CM i modific rezistena cu 10...20%. Sunt de trei tipuri:- n sandwich;- supape de spin antiferomagnetice;- multistraturi antiferomagnetice.Dispozitivele cu tunelare au dimensiuni de civa m, realizate prin fotolitografie, au o variaie a rezistenei de 10...30 %. Sunt foarte sensibili. Stratul de tunelare permite realizarea senzorilor cu rezisten mare i alimentare de la baterii (aplicaii portabile).Structurile tip sandwich au 2 straturi magnetice moi, din aliaje de Fe, Ni i Co, separate de un strat conductor nemagnetic (Cu). Cuplajul magnetic este slab. Straturile sunt sub form de benzi; CM de-a lungul benzii, rotete straturile magnetice antiparalele.CM extern, paralel cu banda, produce aceeai variaie a rezistenei.CM perpendicular are efect mic datorit cmpurilor de demagnetizare.Multistraturile antiferomagnetice au mai multe interfee dect tipurile sandwich, deci variaia rezistenei este mai mare.Structurile tip supape antiferomagnetice seamn cu cele tip sandwich.

  • Straturi anizotropice convenionale cu magnetorezistenSenzorii folosesc efectul magnetorezistiv: proprietatea unui material magnetic prin care trece un curent electric de a-i schimba rezistivitatea n prezena CM extern. Schimbarea are loc prin rotirea magnetizrii fa de direcia curentului.La permalloy, o rotaie cu 90 a magnetizrii datorit CM perpendicular pe direcia curentului, produce o variaie a rezistivitii de 2... 3 %.Rezistivitatea depinde neliniar de CM.Magnetometru cu flux poart Magnetometrele sunt dispozitive ce determin prezena, mrimea i direcia unui CM.Sunt utilizate la realizarea busolelor numerice.Un senzor de CM este cuplat la un CI specific aplicaiei (ASIC), combinaia constnd din dou bobine neliniare cu circuite de comand echilibrate, controlul n curent a variaiilor vitezei de cretere i o metod de msurare a ieirii senzorilor.Se folosete un singur circuit pentru comanda i monitorizarea ambilor senzori.Un circuit numeric urmrete n orice moment care senzor este accesat i memoreaz datele n registrul corespunztor.Cu un circuit de test, CAN monitorizeaz continuitatea bobinei senzor. Semnalul de ieire este sub forma unor coduri de eroare.Combinaia senzor - ASIC elimin parial procesrile analogice complexe.

  • Senzori de CM cu semiconductoareSunt flexibili n proiectare i aplicaii, dimensiuni mici, robuti, ieire semnal electric.Sunt fabricai din Si sau materiale semiconductoare n amestec, din grupele III-V.Sunt ieftini deoarece sunt realizai n tehnologia CI.Includ elemente Hall de volum i cu strat de inversiune, magnetotranzistoare, magnetodiode i magnetometre.Anumii senzori cu semiconductoare III-V au rezoluie magnetic superioar dispozitivelor comparabile din Si datorit mobilitii mari a purttorilor.

  • 1. Senzori HallPlaca Hall idealE o plac subire, dreptunghiular, din material cu rezistivitate mare, cu 4 contacte.Tensiunea Hall, notat VH e proporional cu inducia B i curentul de polarizare I. Se definesc trei sensibiliti:- Sensibilitatea absolut: SA = VH/B- Sensibilitatea relativ de curent: SI = SA/ I = VH/BI- Sensibilitatea relativ de tensiune: SV = SA/ V = VH/BV

  • Senzori Hall integrai de voluma) Senzori Hall integrai orizontalRealizai prima dat de Bosch, anii 70.Se prefer semiconductor n ca material activ, datorit sensibilitii relative de tensiune mari. Pe lng senzorul Hall, n acelai circuit se realizeaz circuitele de stabilizare i amplificare.Sensibili la vectori de inducie magnetic B perpendiculari pe suprafa.Se realizeaz i comutatoare Hall, pt. aplicaii unde este necesar doar ieire logic; acestea au trigger Schmitt pentru controlul etajului de ieire.Pentru realizarea senzorilor Hall integrai se folosete GaAs datorit mobilitii mai mari de 5 ori a electronilor dect la Si i temperaturi de funcionare mai mari.b) Senzori Hall integrai verticalStructura este realizat n tehnologie CMOS, toate contactele electrice sunt la partea superioar. Regiunea activ a dispozitivului este un substrat n iar regiunea izolatoare inelar este de tip p, realizat prin difuzie (jonciune p-n polarizat invers).

  • c) Senzori Hall integrai cu amplificator diferenialAu o plac Hall orizontal tip n i 2 tranzistoare bipolare pnp ce formeaz o parte din amplificatorul diferenial. Stratul de Si tip n de la partea superioar este i placa Hall i regiunea de baz comun pentru cele dou tranzistoare.Funcionarea se bazeaz modularea purttorilor minoritari injectai de cmpul Hall produs de curentul purttorilor majoritari din baz.d) Senzori Hall integrai cu tranzistoare cu efect de cmp Suprafaa stratului de inversiune sau canalul unui tranzistor TECMOS este folosit ca regiune activ a unui senzor Hall.Sunt prescurtate MAGFET, in 2 variante: Hall MAGFET i MAGFET cu dren dual.e) Senzori Hall integrai cu heterojonciuniRegiunea activ este un strat dreptunghiular foarte subire, localizat ntr-o heterojonciune (AlGa)As/GaAs.Poate detecta CM foarte sczute, de exemplu 2 nT, la frecvena de 1 kHz.Varianta cu contact dual la regiunea activ are o sensibilitate de 48 %/T, la temperatura camerei.

  • 2. Magnetotranzistoare ( MT ) Sunt TB proiectate astfel nct curentul de colector este modulat de CM.n funcie de geometria MT, se pot detecta CM paralele sau perpendiculare la planul cipului.Multe MT au structur dual de colector.La CM = 0, funcionarea este simetric n raport cu cele dou colectoare, curenii de colector fiind egali.La CM 0, fora Lorentz creeaz o asimetrie a distribuiei de potenial i de curent, rezultnd un dezechilibru al curenilor de colector.MT sunt realizate n tehnologie CMOS.Magnetotranzistoarele (MT) se mpart n dou grupe:- MT pentru o singur dimensiune, notate ID- MT laterale: msoar amplitudinea CM perpendicular pe planul cipului,- MT verticale: msoar amplitudinea CM paralel la planul cipului.- MT tip sond vectorial: msoar amplitudinea i direcia induciei magnetice n 2 dimensiuni (vectorul B este paralel cu planul structurii) sau 3D.

  • 3. Magnetodiode (MD) Concentraia de purttori printr-o plac semiconductoare intrinsec, parcurs de curent i expus unui CM este modulat de efectul de magnetoconcentrare.Folosesc acest efect n combinaie cu dubla injecie i recombinarea la suprafa.Datorit variaiei concentraiei de purttori, sunt lente, frecvena limit superioar fiind 10 MHz.Structura unei MD cuprinde o plac semiconductoare slab dopat n- cuprins ntre dou zone subiri p+ i n+.

  • 4. Senzori optoelectronici de cmp magneticFolosesc RO drept semnal purttor intermediar.Senzorii magneto-optici se bazeaz pe rotaia Faraday a planului de polarizare a RO polarizate liniar.Sunt realizai din bobine de FO, cu o cale lung a RO i corespunztor, o rotaie mare pe unitatea de cmp magnetic.Au fost realizai senzori de curent magneto-optici pentru liniile de transmisie de nalt tensiune.Efortul transferat fibrei din materialul magnetostrictiv are ca efect o variaie a lungimii cii optice, ce determin o deplasare de faz, detectat cu interferometrul cu FO.

  • 5. Senzori superconductori de cmp magneticSunt de dou tipuri:- dispozitivele superconductoare cu interferen cuantic (SQUID);- supermagnetorezistoarele.Senzorul superconductor cu interferen cuantic este un magnetometru de mare rezoluie, pentru gama pT. Exploateaz efectele galvanomagnetice mecanice cuantice care au loc ntre materiale superconductoare, la temperaturi sczute (sub 20 K). Folosind tehnici cu straturi subiri, SQUID poate fi integrat ntr-un singur substrat, mpreun cu o bobin de intrare superconductoare din niobiu i circuitele de conversie de semnale.Supermagnetorezistoarele funcioneaz la temperatura azotului lichid 77 K i rspund la CM, cu B < 10 mT. Se bazeaz pe faptul c un CM slab rupe superconductivitatea unui eantion de ceramic granular, prin creterea rezistenei ntre granulele superconductoare. Se obine o variaie abrupt a rezistenei eantionului cu CM. Straturile de ceramic se realizeaz n meandre, prin piroliz i evaporare.

Recommended

View more >